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2024 , Vol. 41 >Issue 8: 55 - 62

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20231059

水土保持与生态修复

北方土石山区薄土坡耕地石坎反坡阶措施减流减沙效益分析

  • 姜宇 ,
  • 程宏远
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  • 中水珠江规划勘测设计有限公司 浙江分公司,杭州 310000
程宏远(1992-),男,安徽歙县人,工程师,硕士,主要从事水工结构设计工作。E-mail:

姜 宇(1990-),女,浙江安吉人,工程师,主要从事水利工程设计工作。E-mail:

Copy editor: 黄玲

收稿日期: 2023-09-30

  修回日期: 2024-02-04

  网络出版日期: 2024-08-13

收起

Benefits of Stone-sill Reverse-slope Terraces to Soil and Water Conservation on Thin-soiled Sloping Farmland in Earthy-Rocky Mountainous Area of North China

  • JIANG Yu ,
  • CHENG Hong-yuan
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  • Zhejiang Branch of China Water Resources Pearl River Planning Surveying & Designing Co., Ltd., Hangzhou 310000, China

Received date: 2023-09-30

  Revised date: 2024-02-04

  Online published: 2024-08-13

Fold

摘要

为解决我国北方土石山区薄土坡耕地水土流失问题,通过布设标准径流小区来研究石坎反坡阶措施的水土保持综合效果。结果表明:石坎反坡阶措施对于坡耕地水土流失调控效果显著,该措施相较于等高耕作措施,坡面径流削减率和泥沙削减率分别达到68.57%和94.29%;石坎反坡阶措施在提高坡面土壤水分含量、提高坡面水分分布均匀度方面能够发挥出良好的作用,该措施相较于等高耕作措施,坡面总体土壤水分含量提高了7.78%;石坎反坡阶措施能够显著提高坡耕地的农作物产量,相较于常规等高耕作措施,玉米产量提高了12.69%。石坎反坡阶的设计及作用效果研究,丰富了我国北方土石山区薄土坡耕地的水土流失治理途径。

关键词： 石坎反坡阶; 薄土坡耕地; 水土流失; 北方土石山区; 径流; 土壤水分

本文引用格式

姜宇 , 程宏远 . 北方土石山区薄土坡耕地石坎反坡阶措施减流减沙效益分析[J]. 长江科学院院报, 2024 , 41(8) : 55 -62 . DOI: 10.11988/ckyyb.20231059

Abstract

To address the issue of soil erosion on sloping farmland with thin soils in the earth-rocky mountainous area of north China, we established standard runoff plots to investigate the comprehensive soil and water conservation effectiveness of stone-sill reverse-slope terraces. Our findings revealed a significant control effect on water and soil loss: runoff and sediment were reduced by 68.57% and 94.29%, respectively, compared to contour farming. Stone-sill reverse-slope terraces effectively increased soil moisture content and ensured a more uniform distribution of water across the slopes. The total soil moisture content increased by 7.78% compared to contour farming plots. Additionally, the stone-sill reverse-slope terraces markedly enhanced crop yields on sloping farmland; corn yields increased by 12.69% compared to contour farming. Our design and study of the stone-sill reverse-slope terrace contribute to the soil and water conservation methods for thin-soiled sloping farmland in north China’s earth-rocky mountainous areas.

Key words： stone-sill reverse-slope terrace; sloping farmland with thin soil layer; soil and water loss; earthy-rocky mountainous areas of north China; runoff; soil moisture

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

我国是世界上水土流失最严重的国家之一[1],根据水利部调查显示,截至2021年,我国水土流失面积达到了2.67×106 km2[2],占全国土地总面积的27.86%[3],我国年均土壤侵蚀量高达50亿t,占全球土壤侵蚀总量的1/5[4]。北方土石山区是我国主要水土流失类型区之一,包括淮南山区、豫西山区,沂蒙、太行、燕山山区和东北的西南部分,西北部分山丘地带,总面积约为75.4万km2[5],其中水土流失面积达16万km2[6],该区域的土壤侵蚀类型以水蚀为主,占比达95%以上[7]。我国北方土石山区水土流失的主要驱动因子是土地利用类型,驱动因子在不同时期的解释能力不同,不同时期驱动因子的交互作用均会增强其对土壤侵蚀的解释能力,土地利用类型和地形地貌与其他因子交互后对侵蚀强度的贡献率明显提高[8]。
坡耕地是水土流失的主要策源地之一[9],全国坡耕地面积约为2.4×107 hm2,占全国耕地总面积的20%,占全国水土流失总面积的6.7%,产生的土壤流失量却占到全国的28.3%[10],我国北方土石山区坡耕地土层一半以上厚度<50 cm,若不及时治理,会造成严重的水土流失,降低土地生产力[11]。因此,大面积的坡耕地治理是该区水土保持生态建设的重中之重[5]。我国经过多年的高标准农田建设,能够将其改造成梯田的坡耕地的基本已经改造完成,且大规模梯田建设对于生态环境的影响本身也存在一定争议[12],我国北方土石山区坡耕地大多土层较薄,无法改造成为梯田,或者施工难度过大、成本过高,不适宜进行梯田改造,针对这类坡耕地水土流失治理措施的研究与应用逐渐受到人们的重视[13]。
土壤水分空间分异是指水分在土壤空间的分布和变化规律[14],水土保持工程措施在减少地表径流和泥沙的同时,对土壤总体水分含量及其在土体内部的分布情况产生显著的影响[15]。因此通过分析水土保持措施对土壤水分空间分异的影响,能够揭示水土保持措施影响坡耕地产量的深层次原因,为水土保持措施的综合效益评价提供依据。
等高反坡阶作为坡耕地水土保持控制措施之一,可有效减少水土流失、增加入渗,其机理在于可直接蓄水减沙,对坡面降水进行再分配,同时阻止泥沙的产生,从而对坡面的径流和泥沙起到调控作用[16]。目前国内学者在等高反坡阶减流减沙效应、坡面土壤水分空间分布、土壤养分流失等方面展开了系统深入的研究[17-18]。目前对于等高反坡阶措施的研究多集中于普通的土坎等高反坡阶,且主要应用于森林抚育、林地提升方面,对于新型石坎反坡阶的设计与应用研究较少,本研究用干砌石坎代替常规的土坎来设置反坡阶,可以大幅提升反坡阶的稳定性和作用效果的持续性,在对抗短时强降雨带来的土壤侵蚀方面更具优势,为我国无法进行梯田改良的薄土层坡耕地的水土流失治理提供了新的方法,对于保障我国粮食安全具有十分重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区设置在河北省承德市平泉市王土房乡东北沟村,属燕山山脉中低区,具有北方土石山区的基本特点。该流域地貌类型为土石低山,属于暖温带大陆性季风气候,年平均气温7.1 ℃,无霜期135 d,多年平均降水量为524.4 mm,约80%集中在6—9月份,年均蒸发量为1 670 mm,有记录最大年降水量771.4 mm,最小年降水量为336.9 mm。土壤类型以棕壤、褐土、黄绵土、粗骨土、石质土以及新积土等为主。试验区木本植物有油松、落叶松、刺槐、杨树、榆树等,草本植物有狗尾草、虎尾草、乌拉草等。该地区耕地主要以旱地为主,主要农作物为玉米,其中坡耕地占耕地总面积的40%以上,坡耕地整体土层较薄、土壤中有较多小型风化或者半风化石块混杂。
本研究径流小区土壤类型为褐土,土壤密度1.2~1.5 g/cm3,通过比重法测定径流小区土壤机械组成为:黏粒(<0.002 mm)占比10%~14%,粉粒([0.002,0.02)mm)占比51%~63%,砂粒([0.02,2]mm)占比14%~39%,按照国际土壤质地分类为粉砂壤土。径流小区土壤厚度在60~100 cm之间,总体沿顺坡面呈现上薄下厚的趋势。以玉米种植的坡耕地为例,坡面土层呈现出明显的分层现象,剖面自上而下呈现出3个层次,依次为A、B、C三层:A层(0~20 cm),由于长期耕作,土壤质地较好,有机质含量相对较高,有较多植物根系残留,质地较为疏松,呈现出暗棕色;B层心土层(20~60 cm),颜色呈浅褐色,核状结构,土质紧实,几乎无土壤团粒结构;C层(60~100 cm),颜色较浅,呈灰褐色,以沙岩等残积风化物质为主,颗粒状明显。

1.2 径流小区设计

为充分验证石坎反坡阶在坡耕地水土流失治理中的作用,本研究设置了3个标准坡耕地径流小区,均为20 m×5 m的长方形径流小区,坡度为17°,小区边界均为砖砌水泥挡墙,3个径流小区处理分别为无耕作自然恢复小区(CK1)、常规等高耕作小区(CK2)、石坎反坡阶措施小区(MP)。其中,CK1小区无任何耕作措施和人为干扰,地表有少量杂草自然生长;CK2小区进行常规等高耕作,种植作物为玉米,播种量为0.3 kg;MP小区在等高线方向设置3道干砌石坎反坡阶,石坎出土高度0.6 m,反坡坡面长2 m,反坡坡度为3°,在坡面同样采用等高耕作的方式种植玉米作物,播种量同为0.3 kg。具体设计见图1。
图1 MP小区设计示意图

Fig.1 Schematic diagram of MP plot design

1.3 试验时间及周期

本研究的相关试验小区已于2014年完成建设,目前已经连续监测超过8 a,根据具体项目开展的需要进行过多次试验区改造与提升。本研究涉及到的相关数据取自相关小区2022年的监测数据,各小区降雨、径流及泥沙相关数据采集周期为2022年1月1日—12月31日,CK2和MP小区玉米播种时间为2022年4月24日,收获时间为2022年8月20日,CK1小区的植物地上部分收获时间同为2022年8月20日。

1.4 样品采集与分析

1.4.1 降雨记录

本研究降雨数据来源于试验区设置的小型自动监测气象站,可自动监测试验区的降雨情况,包括降雨开始时间、停止时间、累计降雨量等相关数据。为保证降雨数据与本研究土壤侵蚀之间的相关性,对于降雪数据不计入降雨数据中,即本研究监测的降雨量相关数据不包括试验区2022年降雪、冰雹等其他类型的降水形式。

1.4.2 径流量测定方法

各小区的径流数据通过自动计数翻斗来进行自动化测定,该设备的径流收集容器(自动翻斗)容量为0.005 m3,当容器中液体到达容量刻度线后即进行翻转,并将收集到的径流倒入下方的径流收集池中;同时由自动计数器记录一次读数,每次降雨后由专人前往试验区读取并记录各小区设备读数,通过读数及径流容器的容量计算出该小区的径流量,记录完毕后对设备读数进行清零复位。

1.4.3 泥沙量测定方法

每个径流小区底端设置2个长、宽、高分别为1.0、1.0、1.2 m的方形水泥池,分别编号为1号池和2号池,主要作用是收集小区地表径流和泥沙,1号池和2号池之间通过管道连通,管道底端距离池底高1.0 m,2号池与排水渠通过管道连通,2号池与排水渠连通的管道同样设置在距池底1.0 m的高度。1号池直接收集来自径流翻斗的径流,当小区累计径流量≤1 m3时,将全部径流都收集在1号池中,降雨结束后人工清理池中上层清水,收集池底泥沙进行称重测量;当小区累计径流量>1 m3时,则需同时收集2个水泥池中的泥沙进行测定并计算总量。
将收集到的泥水混合物进行测定,若总体积<1 L,则采取沉淀、烘干的方式测定总的泥沙量;若总体积>1 L,则首先称取混合物总质量,后将混合物搅拌均匀后取约1 L的样品量;称重后同样采取沉淀、烘干的方式测定样品泥沙质量,通过样品含沙量来推算总的泥沙质量。

1.4.4 土壤水分采样测定方法

水分测定采样为分坡位、分层采样,每个径流小区在顺坡面(中线)方向选取3个采样点,分别为坡上、坡中、坡下,其中坡上点位于距离径流试验小区上边缘2.5 m处,坡中点位于距离径流试验小区上边缘5.0 m处,坡下点位于距离径流试验小区上边缘7.5 m处;每个采样点垂直于坡面方向每10 cm分3层采样,即0~10、10~20、20~30 cm各取一个土样。取完土壤样品后,就近用周围的表层土壤进行回填。
文中土壤水分含量均为质量含水量,将采集的土壤样品称重后放入烘箱中,在105 ℃的温度下烘烤12 h后测定样品干重,通过差值计算出样品质量含水量。

1.4.5 作物产量及生物量测定方法

本研究涉及的作物产量主要是CK2小区和MP小区的玉米产量,小区产量为玉米籽粒晾晒后的重量,自然晾晒后玉米籽粒含水量约为13%。CK1小区的总生物量为小区自然生长的杂草收割后通过样品烘干计算出的干物质总量(收割时间与CK2和MP小区玉米收获时间相同),CK2和MP小区的总生物量为玉米籽粒重量(干重)、玉米芯干重以及玉米秸秆干重的总和,玉米秸秆和玉米芯的干重计算方法与CK1小区生物量的计算方法相同。

1.5 数据处理

1.5.1 径流泥沙数据处理

径流小区边界墙为砖砌水泥抹面,边界墙总投影面积Sb=边界墙厚度×总长度,边界墙厚度为0.12 m,总长度(径流小区周长)为50 m,由此计算出每个径流小区的边界墙总投影面积为6 m2,小区径流在一定程度上会受到径流小区边界集流影响,在进行径流量计算时,根据当次降雨量P(单位:mm),计算出有效径流量下限值Veff,计算见式(1)。
V e f f = 0.5 S b P / 1   000 = 0.003 P 。
式中:Veff表示有效径流量下限值(m3);Sb表示边界墙的总投影面积(m2);P表示当次降雨总量(mm)。
当单次降雨采集的径流量>Veff则记为有效径流,记产流一次,且对应的径流量和泥沙量计入到该小区的径流泥沙统计中;当单次降雨采集的径流量≤Veff,则视为无效径流,对应的径流量和泥沙量数据不计入该小区的径流泥沙统计中。

1.5.2 土壤水分数据处理

2022年总计取样4次,分别为2022年4月17日、2022年6月21日、2022年8月4日和2022年9月22日,将4次采样的各径流小区、各点位、各层次的土壤水分数据对应取平均值为本文坡面土壤水分数据。

1.5.3 坡面水土流失调控指标计算

本研究坡面水土流失调控效果由坡面径流削减和泥沙削减率2个指标表示,其计算公式分别为:
R r = ( 1 - R m p / R c k ) × 100 % ;
S r = ( 1 - S m p / S c k ) × 100 % 。
式中:Rr表示径流削减率(%);Rmp表示措施小区径流量(m3);Rck表示对照小区径流量(m3);Sr表示泥沙削减率(%);Smp表示措施小区泥沙量(kg);Sck表示对照小区泥沙量(kg)。

1.5.4 数据分析

本研究的所有数据均运用Office Excel 2013进行处理制表,相关的统计指标数据也均运用Office Excel 2013的内置函数计算得到。

2 结果与分析

2.1 试验区降雨情况及各小区产流次数

由表1可知,试验区2022年全年降雨总量404.2 mm,平均降雨强度为2.28 mm/h,共计降雨30场,按照中国气象局规定:24 h内的降雨量达25.0~49.9 mm为大雨,日降雨量50.0~99.9 mm为暴雨,日降雨量100.0~250.0 mm为大暴雨,超过250.0 mm的称为特大暴雨。按照上述标准,试验区大雨及以上级别的降雨共有3场,分别出现在7月21日、7月30日和8月1日。试验区6月份发生降雨次数为13次,当月总降雨量94.6 mm;7月份发生降雨次数为9次,当月总降雨量为201.6 mm;8月份发生降雨次数为4次,当月总降雨量为53.0 mm;9月份发生降雨次数为4次,当月总降雨量为55.0 mm。从降雨时间分布来看,试验区降雨的主要特点是降雨集中,全年降雨均集中在6—9月份,特别是7月份,当月的降雨总量占全年降雨总量的49.88%、降雨次数占全年降雨次数的30%。
表1 试验区2022年降雨情况及各小区产流情况统计

Table 1 Statistics of rainfall and runoff of each plot in 2022

降雨
场次		 降雨
日期		 降雨
历时/
min		 降雨
量/
mm		 降雨
强度/
(mm·h-1)		 产流与否
CK1 CK2 MP
1 06-06 75 3.0 2.40 — — —
2 06-07 55 5.0 5.45 — — —
3 06-08 60 6.0 6.00 — — —
4 06-13 475 9.8 1.24 — — —
5 06-14 740 24.8 2.01 √ √ —
6 06-16 50 1.8 2.16 — — —
7 06-18 50 2.4 2.88 — — —
8 06-20 35 1.9 3.26 — — —
9 06-22 75 4.0 3.20 — — —
10 06-24 160 3.9 1.46 √ √ —
11 06-25 630 12.0 1.14 — — —
12 06-28 40 1.8 2.70 — — —
13 06-29 560 18.2 1.95 — — —
14 07-09 95 2.2 1.39 — — —
15 07-10 200 18.6 5.58 √ √ √
16 07-11 155 8.0 3.10 √ — —
17 07-21 945 113.5 7.21 √ √ √
18 07-25 275 20.5 4.47 √ √ √
19 07-26 10 1.2 7.20 — — —
20 07-28 505 8.6 1.02 — — —
21 07-30 1 140 28.1 1.48 — — —
22 07-31 130 0.9 0.42 — — —
23 08-01 1 205 49.5 2.46 √ √ √
24 08-12 140 2.8 1.20 — — —
25 08-14 30 0.3 0.60 — — —
26 08-21 10 0.4 2.40 — — —
27 09-02 510 19.5 2.29 — — —
28 09-07 875 20.4 1.40 — — —
29 09-11 1 050 4.5 0.26 — — —
30 09-27 450 10.6 1.41 — — —
合计 10 615 404.2 2.28 7 6 4

注:—、√分别表示“未产生有效径流”和“产生有效径流”。

从3个径流小区坡面产流(有效径流)情况来看,CK1小区共计产流7次,CK2小区为6次,MP小区为4次。单从产流次数来看,石坎反坡阶的作用效果要明显优于常规等高耕作和自然封育。

2.2 不同处理小区径流及泥沙比较

3个不同处理的径流小区年径流总量从大到小依次为CK1>CK2>MP,年径流总量最大的CK1小区年径流总量达到9.06 m3,年径流总量最小的MP小区仅为0.70 m3。从削减坡面径流的角度来看,MP小区和CK2小区均有显著的效果,MP小区相较于CK1小区,坡面径流削减率达92.27%;CK2小区相较于CK1小区,坡面径流削减率为86.98%;MP小区相较于CK2小区,坡面径流削减率为68.57%。结果表明,石坎反坡阶的设置和常规的等高耕作措施均能有效减少坡面径流的产生,其中以“石坎反坡阶+等高耕作”(MP小区)的模式效果最佳,石坎反坡阶的设置能够起到显著的削减坡面径流、蓄纳降雨的作用。从表2可以看出,CK1小区坡面径流主要来自于7月21日和8月1日两场降雨,这两场降雨所产生的径流量为7.75 m3,占全年径流总量的85.54%;CK2小区和MP小区的径流产生情况与CK1小区相同,大部分的坡面径流也均来自于7月21日和8月1日两场降雨,这两场降雨产生的坡面径流量占两小区全年坡面径流总量的比例分别为66.95%和80.00%。从坡面径流产生的规律来看,无论何种坡面措施,坡面径流均主要产生于1~2场较大的降雨,坡面径流产生非常集中。
表2 不同处理小区径流及泥沙情况

Table 2 Comparison of runoff and sediment among different treatment plots

序号 日期 径流量/m3 泥沙量/kg
CK1 CK2 MP CK1 CK2 MP
1 06-14 0.38 0.21 0.00 129.40 52.80 0.00
2 06-24 0.08 0.02 0.00 0.11 0.01 0.00
3 07-10 0.45 0.08 0.07 134.51 0.19 0.08
4 07-11 0.03 0.00 0.00 0.18 0.00 0.00
5 07-21 6.31 0.49 0.41 127.61 5.61 2.78
6 07-25 0.37 0.09 0.07 96.58 0.14 0.35
7 08-01 1.44 0.30 0.15 77.14 1.28 0.22
合计 9.06 1.18 0.70 565.53 60.03 3.43
3个不同处理的径流小区年泥沙总量从大到小依次为CK1>CK2>MP,年泥沙总量最大的CK1小区年泥沙总量达到565.53 kg,年泥沙总量最小的MP小区年泥沙总量仅为3.43 kg。从减少坡面泥沙的角度来看,MP小区和CK2小区均有显著的效果,MP小区相较于CK1小区,坡面泥沙削减率达99.39%;CK2小区相较于CK1小区,坡面泥沙削减率为89.39%;MP小区相较于CK2小区,坡面泥沙削减率为94.29%。结果表明,石坎反坡阶的设置和常规的等高耕作措施均能有效减少坡面泥沙的产生,其中以“石坎反坡阶+等高耕作”(MP小区)的模式效果最佳,石坎反坡阶的设置能够起到显著减少坡面土壤侵蚀作用。
从表2还可以看出,各小区的坡面泥沙产生情况各不相同:CK1小区坡面泥沙产生比较分散,各次降雨所产生的的泥沙量相对较为平均;CK2小区坡面泥沙集中产生于6月14日,当日的泥沙量占小区年泥沙总量的87.96%;MP小区的泥沙量集中产生于7月21日,当日产生的泥沙量占小区年泥沙总量的81.05%。对各小区径流量和泥沙量进行函数拟合,结果如图2所示。从图2各小区拟合情况来看,CK1小区7组径流量与泥沙量的对数函数拟合决定系数R2仅为0.564,CK2小区6组径流量与泥沙量的指数函数拟合决定系数R2仅为0.466。尽管MP小区线性函数拟合决定系数达到了0.939,但是该小区的径流量与泥沙量数据仅有4组,数据量小,无法充分说明二者的相关性。因此,从各小区函数拟合综合情况来看,泥沙量与径流量并未呈现出明显的相关性。
图2 各小区径流量与泥沙量相关性分析

Fig.2 Correlation analysis of runoff and sediment in each plot

2.3 不同处理对坡面土壤水分的影响

通过对各径流小区坡面土壤的4次采样测定,3个小区坡面土壤水分分布情况如表3所示。由表3可以看出,3个小区坡面土壤总体平均含水量从大到小依次为MP小区18.28%、CK2小区16.96%、CK1小区16.18%。MP小区土壤含水量相较于CK1小区平均高出12.98%,CK2小区土壤含水量相较于CK1平均高出4.82%,MP小区土壤含水量相较于CK2小区平均高出7.78%。结果表明,石坎反坡阶的设置和常规的等高耕作措施均能有效提高坡面土壤水分含量,“石坎反坡阶+等高耕作”(MP小区)措施对于增加坡面土壤水分含量的效果最为显著。通过MP小区和CK2小区的土壤水分对比情况来看,石坎反坡阶的设置在提高坡面土壤水分含量方面发挥出了良好的效果。
表3 不同处理小区坡面土壤水分含量状况

Table 3 Soil moisture content of slopes in different treatment plots

土层
深度/
cm		 土壤含水量/%
CK1 CK2 MP
坡上 坡中 坡下 平均 坡上 坡中 坡下 平均 坡上 坡中 坡下 平均
0~10 14.42 15.73 15.02 15.06 14.49 15.50 16.78 15.59 17.38 17.45 17.72 17.52
10~20 15.66 15.97 16.12 15.92 17.24 16.44 16.35 16.68 18.44 18.81 19.05 18.77
20~30 16.94 17.01 18.75 17.57 17.48 18.41 19.94 18.61 18.72 18.54 18.38 18.55
平均 15.67 16.24 16.63 16.18 16.40 16.78 17.69 16.96 18.18 18.27 18.38 18.28
对各小区坡面土壤水分数据离散情况进行统计分析,计算出各小区坡面土壤水分在顺坡面方向和垂直坡面方向的标准差(SD)和变异系数(CV),结果见表4。总体来看,石坎反坡阶措施小区坡面土壤水分在顺坡面和垂直坡面的变异系数分别仅为常规等高耕作小区的14.35%和40.47%,无论是在顺坡面方向上还是在垂直坡面方向上,MP小区土壤水分的变异系数均明显小于CK1小区和CK2小区。结果表明,石坎反坡阶的设置有助于减小坡耕地土壤水分的空间分异,使得坡面土壤水分的分布更加均匀。
表4 不同处理小区坡面土壤水分空间分异情况

Table 4 Spatial differentiation of soil moisture content of slopes in different treatment plots

试验
小区		 平均值/% SD/% CV/%
顺坡面 垂直坡面 顺坡面 垂直坡面
CK1 16.18 0.48 1.28 2.97 7.88
CK2 16.96 0.66 1.53 3.90 9.02
MP 18.28 0.10 0.67 0.56 3.65

注:顺坡面为不同坡位(坡上、坡中、坡下)数据统计情况,垂直坡面为不同土层深度(0~10、10~20、20~30 cm)数据统计情况。

2.4 不同处理对生物产量的影响

在作物生长期结束后,对小区的作物产量及地上部分生物总量进行了测定与计算,结果见表5。
表5 不同处理小区生物产量情况

Table 5 Biological yields of different treatment plots

试验
小区		 面积/
m2		 玉米
产量/
kg		 玉米单产/
(kg·hm-2)		 秸秆
总量/
kg		 玉米芯
总量/
kg		 地上部分
总生物
量/kg
CK1 100 0.00 0.00 48.37 0.00 48.37
CK2 100 61.53 410.41 71.42 10.71 135.66
MP 100 69.34 462.50 76.23 12.07 148.62

注:在计算“地上部分总生物量”时,小区玉米籽粒产量按除去水分后干物质质量计算,即玉米籽粒产量=小区玉米产量×0.87。

从玉米产量来看,MP小区的玉米产量为69.34 kg,CK2小区玉米产量为61.53 kg,MP小区的玉米产量相较于CK2小区高出12.69%。结果表明,石坎反坡阶措施能够显著提高坡耕地的农作物产量。从地上部分生物总量来看,MP、CK2、CK1小区地上部分生物总量分别为148.62、135.66、48.37 kg,相较于常规等高耕作措施,石坎反坡阶措施坡耕地玉米产量和地上部分总生物量分别提高了12.69%和9.55%,表明石坎反坡阶措施在提高坡耕地地上部分生物总量方面仍然有着显著的作用。

3 讨论

在坡面径流削减方面,石坎反坡阶主要是通过强化径流入渗来实现坡面减流,该措施强化坡面径流入渗可体现在两方面:一方面,石坎反坡阶的设置,截断了坡面连续水流,降低了坡面径流总体速度;且石坎反坡阶在阶面形成一定量的反坡库容,增加了降水的蓄集,进而延长了坡面径流在坡面的停留时间,增加了径流入渗。另一方面,石坎反坡阶由于开阶,增大了径流与土体接触的面积,使得径流获得更多的入渗通道,进而强化径流入渗。石坎反坡阶主要是通过减少几场主要降雨坡面径流来实现措施的减流效果。在本试验中,对照坡面产流量最大的两场降雨7月21日和8月1日,其降雨量分别为113.5、49.5 mm,降雨强度分别为7.21、2.46 mm/h。
尽管从单次降雨量和平均雨强来看,8月1日的降雨强度不算太高,但是试验区在7月25日—8月1日的8 d时间内产生了6次降雨,连续的低强度降雨导致坡面土体内的土壤水分逐渐趋于饱和,因此导致8月1日的降雨出现较大量的坡面径流。从这两场降雨可以看出,无论是在应对短历时强降雨还是连续低强度降雨方面,石坎反坡阶均能通过降低坡面流速、强化径流入渗的方式发挥出良好的坡面减流效果。
在坡面泥沙削减方面,石坎反坡阶主要是通过抑制坡面沟蚀形成来实现坡面减沙,通过在坡面设置多道石坎反坡阶,截断了坡面连续水流,可以有效控制坡面沟蚀的形成,而坡面沟蚀是坡耕地土壤侵蚀的主要形成方式。石坎反坡阶在设计阶段充分考虑了当地坡耕地的沟蚀产生的临界坡长以及全年降水量,因此石坎反坡阶在坡面泥沙削减方面发挥出了极好的效果。无论是在总体的坡面泥沙削减方面还是各种类型的单次降雨方面均能发挥出良好的减沙效果。从石坎反坡阶小区产沙的7月10日、7月21日、7月25日和8月1日4次降雨来看,7月21日的产沙量相对最大,占到石坎反坡阶小区全年产沙量的81%,说明石坎反坡阶在应对短历时的强降雨的坡面减沙效果相对较差。坡面侵蚀量(泥沙量)由多个因素决定,降雨特征值、坡面原始状况、土壤初始含水情况等均对坡面侵蚀量有直接影响。受地形因素、耕作措施、地表植被类型、地表植物生长情况的影响,坡面侵蚀量与径流量并未表现出明确的相关性,这与樊才睿[19]的研究结论一致。
由于石坎反坡阶具有强化坡面径流入渗的作用特性,该措施的设置对于增加坡面土壤总体水分含量的作用效果是可以预见的;同时,由于坡面设置了多道石坎反坡阶,在上坡、中坡、下坡均设置了反坡阶,能同时强化上坡位、中坡位、下坡位降雨的就地入渗,其减小顺坡面土壤水分变异的效果同样是可以预见的。石坎反坡阶在减小垂直坡面的土壤水分变异的效果同样显著,产生这种情况可能有两方面原因:
(1)石坎反坡阶的设置能够提高坡面土体总体的水分含量,在非降雨时段,土壤水分处于向上运移的状态。由于石坎反坡阶措施小区土体内水分相对较高,有充足的水分向上补充,从而降低了垂直坡面方向的土壤水分变异。
(2)石坎反坡阶小区通过增加土壤总体水分含量、减少土壤养分的流失,促进了小区作物的生长(包括发芽率和生长量),进而提高了地表植被盖度,在一定程度上减少了表层土壤水分的蒸发,从而减小垂直坡面土壤水分的变异。
单纯的等高耕作措施相对于自然封育,虽然能显著增加坡面整体的土壤含水量,但从坡面土壤水分的空间分异情况来看,等高耕作加剧了土壤水分的空间分异,特别是在垂直坡面方向上,这种情况尤为明显。导致这种情况出现的原因可能是常规的等高耕作措施虽然在一定程度上能够增加坡面土壤水分的含量,但由于该措施对于增加坡面土壤水分总体含量的幅度有限,加之施肥、土壤翻耕等耕作措施在一定程度上会加剧表层土壤水分的蒸发,从而大幅降低表层土壤水分的含量,下层土壤由于含水量不足无法充分向表层土壤输送水分,从而形成坡面土壤水分在垂直坡面方向上的分异。

4 结论

(1)石坎反坡阶措施对于坡耕地水土流失调控效果显著:相较于常规等高耕作措施,坡面径流削减率和泥沙削减率分别达到68.57%和94.29%;相较于自然封育措施,坡面径流削减率和泥沙削减率分别达到92.27%和99.39%。
(2)石坎反坡阶措施在提高坡面土壤水分含量方面发挥出了良好的效果:相较于常规等高耕作措施和自然封育措施,坡面总体土壤水分含量分别提高了7.78%和12.98%。同时,石坎反坡阶措施还能显著提高坡面土壤水分空间分布的均匀度,石坎反坡阶措施小区坡面土壤水分在顺坡面和垂直坡面的变异系数分别仅为常规等高耕作小区的14.35%和40.47%。
(3)石坎反坡阶措施能够显著提高坡耕地的农作物产量和地上部分生物总量,相较于常规等高耕作措施,石坎反坡阶措施坡耕地玉米产量和地上部分总生物量分别提高了12.69%和9.55%。

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